ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

31

кдVк . (15)

дIк Iэ const

Сметодической точки зрения удобнее вычислять не дифференциальное сопротивление коллектора, а обратную ему величину:

Поскольку практически вся ширина обедненного слоя коллекторного перехода lк приходится на базу (см. выше), изменение ширины

коллекторного перехода на lк соответствует изменению ширины базы на

- W и третий сомножитель в правой части ф.16 равен -1. И, наконец, последний сомножитель (16) получим с использованием соотношения (14) Введения. Толщина коллекторного перехода, находящегося под обратным смещением Vк, значительно превышающим контактную разность потенциалов К , запишется в виде:

Собирая вместе фрагменты вычислений, окончательно получим

Видно, что сопротивление rк растет с увеличением напряжения на

32

коллекторе как Vк и уменьшается при увеличении тока эмиттера по гиперболическому закону.

Сопротивление базы rб обеспечивает обратную связь выходной

(коллекторной) цепи с входной (эмиттерной) цепью. Сопротивление базы слагается из омического сопротивления rбо и диффузионного сопротивления rбд, характеризующего обратную связь между эмиттером и коллектором:

Омическое сопротивление rбо определяется конструкцией и удельным сопротивлением материала базы. Выражение для rбд можно найти следующим образом. Изменение напряжения на коллекторе, а следовательно, и тока коллектора, изменяет ширину коллекторного перехода, что приводит к изменению ширины базы. С увеличением Vк

толщина базы уменьшится на ∆W (рис. 3). По условию (21) ток эмиттера должен поддерживаться постоянным (Iэ = const). Эмиттерный ток является диффузионным током (см. ф.2 Введения), а это означает, что и градиент

концентрации дырок в базе должен остаться постоянным. Для этого

концентрация дырок у эмиттерного перехода должна уменьшиться на ∆pэ,

что приведет к уменьшению напряжения на эмиттерном переходе:

Таким образом, увеличение Vк влечет за собой уменьшение Vэ, т.е. между

33

коллектором и эмиттером возникает обратная связь по напряжению. Поскольку эмиттерный ток пропорционален концентрации носителей заряда (дырок) в эмиттере

где р - время жизни дырок в базе p-n-p транзистора.

∆рэ

χ

Рис. 3 ∆W W

ЗАДАНИЕ

1. При постоянном напряжении на коллекторе транзистора Vк = 10 В

измерить зависимость параметров rэ, rб, rк и α от тока эмиттера.

Построить графики.

2. Построить, используя соотношение (14) и полагая Iэ0 = 0,

34

теоретическую кривую rэ = rэ(Iэ) и сравнить ее с экспериментальной кривой. Использовать значение kTe ≈ 0,025 В для комнатной температуры.

3. При постоянном токе эмиттера Iэ = 2 мА измерить зависимость

параметров rк и α от напряжения на коллекторе, изменяя его в пределах

5-12 В. Построить графики.

Более подробные указания по выполнению работы содержатся в отдельной папке «Биполярный транзистор».

35

7. Полевой (униполярный) транзистор

Полевым (также униполярным, также канальным) транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором управление током осуществляется путем изменения толщины полупроводникового слоя, проводящего ток. Ток в полевом транзисторе протекает между омическими электродами, один из которых называется истоком, а второй – стоком. Полупроводниковый слой, по которому протекает ток, называется каналом. Ширина канала регулируется с помощью подачи внешнего смещения на третий электрод – затвор. Различают три основных типа полевых транзисторов. Это полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, МОП-транзисторы

(транзисторы с изолированным затвором) и транзисторы с затвором Шоттки (З Ш П-транзисторы). Различаясь конструктивно, все эти приборы имеют сходный принцип работы и схожие основные характеристики. Рассмотрим принцип работы полевого транзистора и его характеристики на примере транзистора с управляющим p-n переходом.

Устройство такого транзистора показано на рис. 1. Каналом в нем служит тонкий слой полупроводника п – типа, ограниченный с двух сторон р-п переходами.

Транзистор на рис. 1. включен по наиболее часто встречающейся схеме «с общим истоком» - т.е. исток является общим электродом и для входной цепи (затвор-исток) и для выходной цепи (исток-сток).

Электрическое сопротивление канала Rк зависит от его геометрических параметров: толщины W, ширины b и длины L, а также от его удельной электропроводности

Rк en LbW .

n

(1)

Рис. 1

Толщина канала W зависит от глубины проникновения в канал объемных зарядов р-п переходов затвора. Протекание тока в области объемных зарядов р-п переходов практически невозможно, т.к. в этой области отсутствуют свободные носители заряда, и она обладает большим электрическим сопротивлением (см. Введение). Прикладывая к затвору обратное напряжение, можно увеличивать глубину проникновения p-n перехода в канал, тем самым уменьшать толщину канала и увеличивать его сопротивление.

В результате будет изменяться величина тока Iс, протекающего в цепи стока под действием приложенного к стоку напряжения Vс. На этом принципе и основано действие полевого транзистора.

Рассмотрим выходные характеристики полевого транзистора,

определяющие зависимость тока Iс от напряжения Vс при заданном напряжении затвора Vэ. Пусть Vз= 0. При подаче положительного напряжения на сток в канале возникает ток Iс, но при этом р-п переходы

37

получат обратное смещение, их объемные заряды расширятся, а канал сузится. Чем ближе к стоку, тем больше смещение р-п переходов и тем тоньше в этом месте канал (рис. 1). При увеличении Vс выходной ток растет, но при этом одновременно уменьшается толщина канала, поэтому зависимость тока от напряжения не подчиняется закону Ома. Когда напряжение стока достигает некоторой величины Vсн, называемой напряжением насыщения, обедненные слои p-n переходов почти смыкаются вблизи стока. Однако полностью перекрыть канал, подавая напряжение только на сток, невозможно. Действительно, увеличение напряжения на стоке влечет за собой сужение канала и уменьшение тока стока, но это приводит к уменьшению падения напряжения на омическом сопротивлении канала (ф.1). Это, в свою очередь, приведет к уменьшению обратного смещения на p-n переходах, к расширению канала и росту тока. В результате такого автоматического регулирования установится определенная минимальная ширина канала, а ток стока Iс достигнет насыщения и дальше практически не будет расти (рис. 2).

Vз0 0

Vсн

Iсн0 Iсн

Vсн1

Рис. 2

38

При значительной величине Vс наступает пробой p-n перехода и ток в цепи сток-затвор лавинообразно нарастает.

Если на затвор подано обратное напряжение Vз, то насыщение наступает при меньшей величине напряжения на стоке. Величина тока насыщения Iсн в выходной цепи при этом также оказывается меньшей.

При обратном напряжении затвора Vот канал практически перекрывается уже при Vс = 0. Это напряжение называется напряжением отсечки.

Напряжение отсечки по абсолютной величине практически равно

напряжению насыщения Vсн при нулевом напряжении на затворе транзистора.

Для получения соотношения, описывающего выходную характеристику полевого транзистора, пренебрежем влиянием областей, расположенных между истоком и затвором и между стоком и затвором. Структуру рабочей части полевого транзистора можно изобразить в виде

(рис. 3):

39

Плотность тока в канале транзистора запишется как:

затвора. При напряжении отсечки - в ситуации, когда канал полностью

сопротивление полностью открытого канала (см. рис. 3). Уравнение (5) описывает выходную характеристику полевого транзистора до момента

насыщения стокового тока. Поскольку напряжение отсечки Vот при любых значениях напряжений на затворе и стоке всегда является суммой этих напряжений Vот Vз Vс, то в момент насыщения тока будет также

40

справедливо соотношение

На практике насыщение стокового тока в полевых транзисторах наступает даже несколько раньше, чем это предписывается формулами

(5)–(7). На это имеются две основные причины. Во-первых - малые размеры каналов современных транзисторов. Вследствие этого в них реализуются сильные электрические поля, в которых уменьшается подвижность носителей заряда и растет сопротивление канала. Во-вторых, из канала будут экстрагироваться (вытягиваться) неосновные носители заряда – для рассмотренного нами транзистора это дырки. Уменьшение концентрации неосновных носителей приведет к уменьшению концентрации основных носителей – электронов, что также увеличит сопротивление канала.

Эффективность управляющего действия затвора в полевом транзисторе определяется крутизной стоко-затворной характеристики S прибора (рис. 4). Поскольку рабочая точка для полевых транзисторов выбирается обычно на участке насыщения выходной характеристики, где управление максимально эффективно, то из (7) получим

Входное сопротивление полевого транзистора будет определяться сопротивлением обратно смещенного р-п перехода: